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本书讲述了电离辐射的概念以及与物质作用的种类，核爆炸的电离辐射激励电磁脉冲环境的物理机理、分类以及空间分布规律，以激光惯性约束装置为例讲述地面大科学装置中的电离辐射激励强电磁脉冲环境的物理机理与分类，数值模拟方法、瞬态强电磁脉冲环境准确测量的手段与方法，最后介绍了电离辐射总剂量与强电磁脉冲协和效应的研究方法以及强电磁脉冲国际标准概况。

孟萃，博士，清华大学工程物理系长聘副教授，博士生导师，HPEM Fellow。研究领域为电离辐射环境下的强电磁脉冲机理、效应与评估技术。现在是IECSC77C 工作组成员，“中国信息与电子工程科技发展战略研究中心”特聘专家、中国兵工学会复杂物理场专业委员会委员、中国电磁兼容标准化技术委员会大功率暂态现象标准委员会委员。

瞬态电离辐射激励强电磁脉冲的物理概念来源于核爆炸产生的各类核电磁脉冲，随着科学技术的发展，激光惯性约束聚变以及核辐射模拟等大科学装置面临的电磁兼容问题中同样存在与核电磁脉冲物理机理类似的电磁脉冲环境，这类电磁脉冲激励的初始源都是瞬态的电离辐射，不需要天线发射，环境更加复杂。这类电磁脉冲环境峰值场强高、频谱范围宽、作用范围广，有时与瞬态电离辐射同时存在，带来更多的机理、测量、效应以及防护问题。本书作者孟萃长期从事电离辐射激励电磁脉冲的物理机理及效应等研究工作，参加了国际电工委员会IEC SC77C分会的标准制定、修改，负责制定了我国的高空核电磁脉冲辐射环境国家标准，这本专著是作者及其团队多年研究成果的总结。

本书共分13章，重点讲述瞬态电离辐射激励强电磁脉冲的分类、物理机理、数值模拟方法、瞬态强电磁脉冲的准确测量与校准方法、电离辐射总剂量与强电磁脉冲协和效应以及国际标准概况。

本书由孟萃负责，提出了著作的章节目录，完成本书的编写工作，钟媚青博士参与编写了第2章和第13章，徐志谦博士参与编写了第4章、第6章和第8章，张茂兴博士参与编写了第7章，金晗冰硕士参与编写了第9章，姜云升博士参与编写了第10章和第11章，吴平博士参与编写了第12章。

本书的内容是团队成员多年来的科学研究成果，感谢参与该方向研究的所有同学，他们是张晓明硕士、谭兆杰硕士、杨超硕士、金晗冰硕士、李鑫博士、姜云升博士、吴平博士、黄刘宏博士、程二威博士、徐志谦博士、张茂兴博士、钟媚青博士、冯博伦博士以及在本团队开展本科科研训练的杨大龙、陈荣梅、卢志永等同学。感谢我的导师陈雨生研究员，是他把我带入核电磁脉冲的研究领域，他的严谨求实的学术风范一直影响着我。感谢多年来支持、指导以及帮助我的同事、领导和业界同行与前辈，与你们的交流讨论让我收获颇丰。感谢我的家人们，你们的厚爱以及支持是我一直前行的动力。感谢各项目资助管理单位的大力支持。

由于作者水平有限，书中不当之处恳请大家不吝赐教，给予宝贵意见。

2021年5月于清华园

第1章绪论

1.1引言

1.2核爆炸产生的电磁脉冲

1.3辐射模拟装置产生的电磁脉冲

1.4强电磁脉冲国际标准

参考文献

第2章电离辐射的种类及其与物质的相互作用

2.1基本概念和术语

2.1.1原子的结构

2.1.2电离辐射的能量

2.2电离辐射的种类

2.2.1常见电离辐射的种类及属性

2.2.2常见的瞬态电离辐射来源

2.3带电粒子与物质的相互作用

2.3.1带电粒子与物质的相互作用概述

2.3.2重带电粒子与物质的相互作用

2.3.3快电子与物质的相互作用

2.4光子与物质的相互作用

2.4.1作用截面

2.4.2光电效应

2.4.3康普顿效应

2.4.4电子对效应

2.4.5三种效应的比较

2.4.6γ射线窄束的衰减规律

2.5中子与物质的相互作用

2.5.1中子的分类

2.5.2宏观截面和平均自由程

2.5.3弹性散射

2.5.4非弹性散射

2.5.5中子与空气的相互作用

参考文献

第3章时域有限差分算法

3.1研究背景与现状

3.2时域有限差分方程

3.2.1直角坐标系差分公式

3.2.2收敛性和稳定性分析

3.2.3柱坐标系差分公式

3.3吸收边界条件

3.3.1Mur吸收边界

3.3.2完全匹配层吸收边界

3.4时偏FDTD算法

参考文献

第4章PIC粒子模拟算法

4.1研究背景与现状

4.2粒子推动方程

4.3电磁场与粒子的耦合

4.4电流密度的数学表达

参考文献

第5章高空核爆炸激励电磁脉冲的物理机理与规律

5.1核爆电磁脉冲物理机理

5.1.1核爆炸γ辐射源

5.1.2γ射线与物质相互作用的衰减规律

5.1.3康普顿效应

5.2高空核爆炸向地面产生的电磁脉冲

5.2.1早期HEMPE1的数值模拟

5.2.2结论

5.3高空核爆炸向卫星轨道产生的色散电磁脉冲

5.3.1爆心附近核电磁脉冲环境

5.3.2爆高的影响

5.3.3爆炸当量的影响

5.3.4电离层对电磁脉冲信号的影响

5.3.5高频电磁波通过电离层的衰减

5.3.6卫星轨道电场峰值

参考文献

第6章腔体系统电磁脉冲的物理机理与规律

6.1研究背景与现状

6.2腔体内SGEMP仿真模型

6.2.1二维仿真模型

6.2.2三维仿真模型

6.3二维模型的仿真结果及规律

6.3.1典型的时域波形

6.3.2X射线能注量的影响

6.3.3X射线脉冲宽度的影响

6.3.4X射线能量的影响

6.4三维模型的仿真结果及规律

6.4.1典型的时域波形

6.4.2腔体内SGEMP的空间分布

6.4.3腔体内SGEMP的频率特性

6.5腔体外部SGEMP的仿真结果及规律

6.5.1研究现状

6.5.2三维仿真结果及规律

参考文献

第7章线缆系统电磁脉冲的物理机理与规律

7.1研究背景与现状

7.2线缆系统电磁脉冲的物理机理

7.3时域有限差分法的仿真结果与规律

7.3.1时域有限差分方程

7.3.2仿真结果与规律

7.4传输线+有限元方法仿真结果及规律

7.4.1简化模型

7.4.2有限元法

7.4.3仿真结果与规律

参考文献

第8章源区电磁脉冲的物理机理与规律

8.1研究背景与现状

8.2地面核爆炸SREMP理论分析

8.2.1早期波过程

8.2.2饱和扩散过程

8.2.3后期准静态过程

8.3靶室房间SREMP数值模拟

8.3.1靶室房间SREMP仿真模型

8.3.2靶室房间SREMP仿真结果及规律

参考文献

第9章激光惯性约束装置的强电磁脉冲

9.1激光惯性约束装置强电磁脉冲的分类

9.2靶室内电磁脉冲

9.2.1激光打靶中的电磁脉冲现象

9.2.2超热电子产生电磁脉冲的主要机制

9.2.3超热电子激励电磁脉冲模拟

9.3能库电磁脉冲的实验研究

参考文献

第10章瞬态强电磁脉冲测量

10.1DDot传感器

10.1.1DDot电场传感器原理

10.1.2等效电荷法用于DDot探头形状设计

10.1.3DDot传感器尺寸设计

10.2Efield传感器

10.2.1Efield电场传感器原理

10.2.2传感器信号接收电路

10.2.3电光调制电路

10.2.4光接收机

10.3BDot磁场传感器

10.3.1SSL磁场传感器

10.3.2MSL磁场传感器

10.3.3CML磁场传感器

10.4MGL磁场传感器

10.4.1差模MGL传感器

10.4.2共模MGL传感器

10.5瞬态强电磁脉冲测量系统的组成

10.6信号反演算法

10.6.1微分传感器的软硬件信号处理方式

10.6.2基于MAP的信号处理算法

10.6.3基于MAP算法的实验验证

10.6.4不同波形的适应性验证

参考文献

第11章瞬态强电磁脉冲传感器校准

11.1基本校准方法

11.2标准电磁场产生装置

11.2.1TEM小室

11.2.2GTEM小室

11.2.3镜面单锥TEM小室

11.3频域校准方法

11.4时域联合校准方法

11.4.1幅度灵敏度校准

11.4.2上升时间校准

参考文献

第12章电离辐射及强电磁脉冲协和效应

12.1电离辐射总剂量效应

12.1.1SiO2介质材料辐射损伤机理

12.1.2SiSiO2界面电荷

12.1.3MOS器件电参数变化

12.2强电磁脉冲效应

12.2.1电路各结构的强电磁脉冲效应

12.2.2典型的半导体器件的电磁脉冲损伤机理

12.3电离辐射总剂量与强电磁脉冲协和效应

12.3.1协和效应测试方法

12.3.2器件级研究现状

12.3.3ADC芯片的实验结果

12.4概率阈值分析

参考文献

第13章国际标准概况

13.1IEC SC77C发布的HPEM相关标准

13.2其他国际组织发布的HPEM相关标准

13.2.1ITUT发布的电信中心的HPEM防护建议

13.2.2IEEE制定的公共可访问计算机的HPEM防护标准

13.2.3CIGRE制定的高压变电站电子设备的HPEM防护建议

13.3欧盟发布的HPEM相关文件

13.4各国发布的HPEM相关标准

13.4.1美国军用HEMP标准

13.4.2中国的HPEM相关标准

13.4.3其他各国发布的HPEM相关标准

参考文献